KR102127364B1 - 스텔스 구조체의 설계방법 및 이에 의해 설계되는 스텔스 구조체 - Google Patents

스텔스 구조체의 설계방법 및 이에 의해 설계되는 스텔스 구조체 Download PDF

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정현준
원세정
이학주
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재단법인 파동에너지 극한제어 연구단
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Abstract

본 발명의 일실시예는 높은 스텔스 성능이 구현되는 스텔스 구조체를 제공한다. 여기서, 스텔스 구조체는 제1유전체, 전면패턴, 후면패턴, 제2유전체 그리고 후단 전도성체를 포함한다. 전면패턴은 제1유전체의 전면에 적층되어 입사되는 목적주파수를 갖는 전자파를 제1손실에너지로 손실시키면서 제1유전체를 향하여 이동되는 제1투과전자파의 위상을 변화시키고, 제1면저항을 가진다. 후면패턴은 제1유전체의 후면에 적층되어 제1유전체를 투과하는 제1투과전자파를 반사시키되, 전면패턴을 향하여 반사되는 반사파의 위상을 조절하기 위한 제2면저항을 가진다. 제2유전체는 후면패턴의 후면에 배치되고, 후단 전도성체는 제2유전체의 후면에 배치되어 제2유전체를 투과한 제2투과전자파를 흡수하여 제2손실에너지로 손실시키기 위한 제3면저항을 가진다. 제3면저항은 제2면저항보다 큰 값을 가진다.

Description

스텔스 구조체의 설계방법 및 이에 의해 설계되는 스텔스 구조체{METHOD OF DESIGNING STEALTH STRUCTURE AND STEALTH STRUCTURE DESIGNED THEREBY}
본 발명은 스텔스 구조체 및 이의 설계방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 높은 스텔스 성능이 구현되는 스텔스 구조체 및 이의 설계방법에 관한 것이다.
투명 전극은 LCD, PDP, OLED와 같은 평판디스플레이 또는 비정형 실리콘 박막 태양전지, 염료 감응형 태양전지의 투명전극 등의 다양한 용도로 광범위하게 사용되고 있다.
이러한 투명전극 필름으로 현재까지 가장 널리 사용되는 것은 인듐 주석 산화물(Indium Tin Oxide: ITO) 필름이다.
현재 가장 많이 사용되는 이러한 ITO 투명전극은 유리(glass) 및 폴리머 필름(polymer film) 등의 기판 위에 증착되어 사용되고 있으나, 차세대 디스플레이의 개발이 저가격화, 대면적화, 경량화를 추구하고 있는 상황에서, 이를 실현하기 위해서는 유리보다 가벼운 플라스틱을 기판 재료로 사용하는 것이 요구되고 있으며, 플라스틱 기판 상에서 최적의 물성을 나타낼 수 있는 투명전극의 개발이 요구되고 있다.
한편, 투명 전극은 IR차폐, EMI 차폐와 같은 기능성 유리 뿐만 아니라, 입사되는 전자파를 손실시켜 스텔스 기능을 구현하기 위한 스텔스 필름 등의 구조물로도 그 적용영역이 확대될 수 있다.
스텔스 기술은 무기체계의 운용 시 발생할 수 있는 광학 신호, 전자기 신호, 적외선 신호, 진동 신호 등을 흡수시켜, 적의 탐지신호에 포착 또는 노출되지 않도록 하는 기술을 의미한다. 고성능 전자 장비를 이용하여 레이더 탐지 주파수 대역이 다양화되는 미래 전투 체계의 판도 변화에 따라 전자기 스텔스 기술의 중요성 및 광대역 스텔스 성능 구현을 위한 기술 개발이 크게 대두되고 있다.
스텔스 구조물은 항공기의 조종석의 캐노피나, 함정의 현창과 같이 투명한 부분뿐만 아니라, 항공기의 기체나, 함정의 선체 등과 같은 불투명한 부분에 다양하게 적용되지만, 어떠한 경우라도 높은 스텔스 성능이 구현되어야 함은 물론이다. 따라서, 보다 개선된 스텔스 성능이 구현되는 스텔스 구조의 연구가 필요하다.
대한민국 등록특허공보 제1944959호(2019.02.01. 공고)
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 높은 스텔스 성능이 구현되는 스텔스 구조체 및 이의 설계방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예는 제1유전체; 상기 제1유전체의 전면에 적층되어 입사되는 목적주파수를 갖는 전자파를 제1손실에너지로 손실시키면서 상기 제1유전체를 향하여 이동되는 제1투과전자파의 위상을 변화시키고, 제1면저항을 갖는 전면패턴; 상기 제1유전체의 후면에 적층되어 상기 제1유전체를 투과하는 상기 제1투과전자파를 반사시키되, 상기 전면패턴을 향하여 반사되는 반사파의 위상을 조절하기 위한 제2면저항을 갖는 후면패턴; 상기 후면패턴의 후면에 배치되는 제2유전체; 그리고 상기 제2유전체의 후면에 배치되어 상기 제2유전체를 투과한 제2투과전자파를 흡수하여 제2손실에너지로 손실시키기 위한 제3면저항을 갖는 후단 전도성체;를 포함하며, 상기 제3면저항은 상기 제2면저항보다 큰 값을 가지는 것을 특징으로 하는 스텔스 구조체를 제공한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제2면저항은 상기 제1면저항보다 작거나 같은 값을 가질 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 전면패턴, 상기 제1유전체 및 상기 후면패턴은 제1공진회로를 형성하고, 상기 후면패턴, 상기 제2유전체 및 상기 후단 전도성체는 제2공진회로를 형성하며, 상기 제1공진회로의 제1공진주파수와 상기 제2공진회로의 제2공진주파수는 상기 목적주파수를 포함하는 목적대역폭 내에 존재할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제2유전체의 두께는 상기 후단 전도성체가 상기 전면패턴의 흡수성능을 변화시키기 않는 두께 허용범위에서 설정될 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 전면패턴, 상기 제1유전체, 상기 후면패턴, 상기 제2유전체 및 상기 후단 전도성체는 총 공진회로를 형성하며, 상기 총 공진회로의 총 공진주파수는 상기 목적주파수를 포함하는 목적대역폭 내에 존재할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 후단 전도성체는 도전성 패턴을 가질 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 후단 전도성체의 후방에는 하나 이상의 유전체 및 전도성체가 더 배치될 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 전면패턴, 상기 후면패턴 및 상기 후단 전도성체는 투명한 그래핀, 인듐 주석 산화물(ITO), 은(Ag) 나노 와이어, 알루미늄 도프 산화아연/은/알루미늄 도프 산화아연(AZO(Aluminum-doped zinc oxide)/Ag/AZO), 전도성 잉크 중 적어도 어느 하나로 이루어질 수 있다.
한편, 상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예는 제1유전체의 단위넓이 및 두께를 선정하는 제1유전체 선정단계; 상기 제1유전체의 전면에 임의 형상의 초기 전면패턴을 마련하고, 상기 제1유전체의 후면에 임의 형상의 초기 후면패턴을 마련하는 초기패턴 마련단계; 상기 초기 후면패턴을 제2면저항 및 목표 투과도를 가지는 제1조정 후면패턴으로 조정하는 후면패턴 제1조정단계; 그리고 상기 초기 전면패턴을 제1면저항 및 목표 흡수도를 가지는 제1조정 전면패턴으로 조정하는 전면패턴 제1조정단계를 포함하는 스텔스 구조체의 설계방법을 제공한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 전면패턴 제1조정단계 이후에, 상기 제1조정 후면패턴을 제2조정 후면패턴으로 추가 조정하고, 상기 제2조정 후면패턴, 상기 제1유전체 및 상기 제1조정 전면패턴이 형성하는 제1공진회로에서의 제1공진주파수가 외부에서 입사되는 전자파가 가지는 목적주파수를 포함하는 목적대역폭 내에 존재하도록 하는 후면패턴 제2조정단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 후면패턴 제2조정단계 이후에, 상기 제2조정 후면패턴의 조정에 기인하여 변화된 상기 제1조정 전면패턴의 흡수도가 상기 목표 흡수도가 되도록 상기 제1조정 전면패턴을 최종 전면패턴으로 조정하는 전면패턴 제2조정단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제2조정 후면패턴의 후면에 제2유전체를 배치하는 제2유전체 배치단계; 그리고 상기 제2유전체의 후면에 상기 제2면저항보다 큰 값의 제3면저항을 가지는 후단 전도성체를 배치하는 후단 전도성체 배치단계;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 후단 전도성체 배치단계 이후에, 상기 제2조정 후면패턴을 최종 후면패턴으로 형상 조정함과 동시에 상기 제2유전체의 두께를 조정하여 상기 최종 전면패턴, 상기 제1유전체, 상기 최종 후면패턴, 상기 제2유전체 및 상기 후단 전도성체가 형성하는 총 공진회로의 총 공진주파수가 상기 목적주파수를 포함하는 목적대역폭 내에 존재하도록 교정하는 총 공진주파수 교정단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 제1유전체의 전면에는 전면패턴을 마련하고, 제1유전체의 후면에는 후면패턴이 마련되도록 하여, 전면패턴이 입사되는 목적주파수를 갖는 전자파를 손실에너지로 손실시키면서 제1유전체를 향하여 이동하는 투과전자파의 위상을 변화시키고, 후면패턴은 제1유전체를 투과하는 투과전자파를 반사시키되, 반사되는 반사파의 위상을 조절함으로써 제1유전체의 두께 조절 없이 공진 주파수가 조절될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 후면패턴의 후면에 제2유전체를 마련하고, 제2유전체의 후면에는 후단 전도성체를 마련하며 제2유전체를 투과한 투과전자파를 흡수하여 손실에너지로 손실시킴으로써, 액스벤드 영역에서 -10dB 미만의 반사도를 획득할 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 스텔스 구조체를 나타낸 단면예시도이다.
도 2는 도 1의 스텔스 구조체의 작동을 설명하기 위한 예시도이다.
도 3은 도 1의 전면패턴 및 후면패턴을 나타낸 예시도이다.
도 4는 도 3의 전면패턴 및 후면패턴에서의 전기장을 나타낸 사진이다.
도 5는 도 1의 스텔스 구조체의 설계방법을 나타낸 흐름도이다.
도 6은 도 1의 스텔스 구조체의 후면패턴에 따른 공진 주파수의 이동을 설명하기 위한 그래프이다.
도 7은 도 1의 스텔스 구조체의 공진을 설명하기 위한 예시도이다.
도 8은 도 1의 스텔스 구조체의 후단 전도성체의 유무에 따른 반사도를 나타낸 그래프이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 “연결(접속, 접촉, 결합)”되어 있다고 할 때, 이는 “직접적으로 연결”되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 “간접적으로 연결”되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, “포함하다” 또는 “가지다” 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 스텔스 구조체를 나타낸 단면예시도이고, 도 2는 도 1의 스텔스 구조체의 작동을 설명하기 위한 예시도이다.
도 1 및 도 2에서 보는 바와 같이, 스텔스 구조체(100)는 제1유전체(110), 전면패턴(120), 후면패턴(130), 제2유전체(140) 그리고 후단 전도성체(150)를 포함할 수 있다.
전면패턴(120)은 제1유전체(110)의 전면에 적층될 수 있으며, 제1면저항을 가질 수 있다. 전면패턴(120)은 입사되는 목적주파수를 갖는 전자파(10)를 제1손실에너지(13)로 손실시키면서 제1유전체(110)를 향하여 이동되는 제1투과전자파(12)의 위상을 변화시킬 수 있다.
전자파(10)는 레이더 신호일 수 있으며, 통상적으로 엑스밴드의 주파수 범위를 가지는데, 이러한 전자파(10)가 입사되면, 전면패턴(120)은 전자파(10)를 효과적으로 흡수하게 된다.
전자파(10)가 전면패턴(120)에 입사되면 일부는 반사파(11)로 반사되는데, 전면패턴(120)의 최적 패턴 설계를 통해 공기와의 임피던스 차이를 최소화시키면 전면패턴(120)에서 반사되는 신호를 최소화시킬 수 있다. 후술 하겠지만, 스텔스 구조체(100)는 전체적으로 ?10dB 이하의 반사도가 구현되기 때문에 스텔스 성능을 가질 수 있다.
그리고, 전자파(10)가 입사되면 전면패턴(120)에서는 입사된 전기장과 나란한 방향으로 유도 기전력이 유도되며, 이로부터 유도전류가 발생하게 되면서 제1손실에너지(13)가 발생하게 되는데, 이러한 제1손실에너지(13)로 전자파의 일부는 흡수되어 손실될 수 있다.
전면패턴(120)은 전자파(10)의 흡수 성능이 높은 것이 바람직하며, 이를 위해, 전면패턴(120)은 아일랜드 형태가 유리할 수 있다.
도 3은 도 1의 전면패턴 및 후면패턴을 나타낸 예시도이고, 도 4는 도 3의 전면패턴 및 후면패턴에서의 전기장을 나타낸 사진이다.
도 3의 (a)에서 보는 바와 같이, 전면패턴(120)은 제1유전체(110)의 전면에 아일랜드 형태로 배치될 수 있다. 이러한 형태의 전면패턴(120)에 전자파가 입사되면, 도 4의 (a)에서 보는 바와 같이, 전면패턴(120) 사이의 갭(Gap)에서 강하게 전기장이 공진할 수 있다.
전자파(10)의 다른 일부는 제1유전체(110)를 향하여 이동되는데, 이렇게 제1유전체(110)를 향하여 이동되는 제1투과전자파(12)는 후면패턴(130)에서 반사되어 다시 전면패턴(120)으로 되돌아오게 된다.
이때, 전면패턴(120)을 투과한 전자파에 위상 변화가 없다고 가정할 때, 전면패턴(120)으로 입사되는 전자파(10)와 후면패턴(130)에서 반사되어 되돌아오는 반사파(14)는 제1유전체(110) 내부에서 후면패턴(130)으로부터 1/4 파장 떨어진 지점에서 전기장의 크기가 최대가 되는 보강간섭을 일으키게 되며, 이와 같은 높이에 전면패턴(120)이 위치할 경우 전면패턴(120) 상에서 유도되는 전류가 최대의 진폭을 가짐으로써 전면패턴(120)에서 더욱 효과적으로 열손실을 일으킬 수 있다.
후면패턴(130)은 제1유전체(110)의 후면에 적층될 수 있으며, 제2면저항을 가질 수 있다. 후면패턴(130)은 제1유전체(110)를 투과하는 제1투과전자파(12)를 반사시킬 수 있으며, 전면패턴(120)을 향하여 반사되는 반사파(14)의 위상을 조절할 수 있다.
전면패턴(120)은 에너지를 손실시키면서 위상에 영향을 주기 때문에 에너지 흡수 기능에 초점이 맞춰질 경우 위상제어에 자유도가 줄어드는 한계를 가질 수 있다. 그러나, 후면패턴(130)이 전면패턴(120)을 향하여 반사되는 반사파(14)의 위상을 조절하여, 결과적으로, 전면패턴(120)은 제1투과전자파(12)의 위상을 변화시킬 수 있고, 후면패턴은 반사파(14)의 위상을 변화시킬 수 있기 때문에 전자파의 위상을 변화시키기 위한 자유도가 증가하여 전자파의 위상을 보다 자유롭게 변화시킬 수 있다. 이로 인하여, 전기장의 보강간섭이 나타나는 위치 조절이 가능해지며, 이 위치에 전면패턴(120)이 위치하도록 제1유전체(110)의 두께를 자유롭게 조절 할 수 있게 된다. 즉, 후면패턴(130)을 이용하여 반사되는 반사파의 위상을 최적으로 조절함으로써 제1유전체(110)의 두께를 감소시킬 수 있으며, 이를 통해, 스텔스 구조체(100)의 최종 두께를 감소시킬 수도 있다. 또한, 제1유전체(110)의 두께가 고정된 경우, 공진 주파수를 자유롭게 조절할 수 있게 되며, 동시에 높은 스텔스 기능을 구현할 수 있다.
후면패턴(130)은 전자파의 반사성능이 높은 것이 바람직하며, 이를 위해, 후면패턴(130)은 비 아일랜드 형태 또는 슬릿을 가지는 형태가 유리할 수 있다.
도 3의 (b)에서 보는 바와 같이, 후면패턴(130)은 제1유전체(110)의 후면에 비 아일랜드 또는 슬릿 형태로 배치될 수 있다. 이러한 형태의 후면패턴(130)에 투과파가 입사되면, 도 4의 (b)에서 보는 바와 같이, 후면패턴(130) 사이의 갭(Gap)에서도 강하게 전기장이 공진할 수 있다.
전면패턴(120), 제1유전체(110) 및 후면패턴(130)은 제1공진회로(21)를 형성할 수 있는데, 제1공진회로(21)의 제1공진주파수는 전자파(10)에서 목적주파수를 포함하는 목적대역폭 내에 존재함이 바람직하다.
제1공진회로(21)의 제1공진주파수가 목적주파수를 포함하는 목적대역폭 내에 존재하게 되어 공진이 발생하도록 하면, 유도전류가 최대가 되도록 할 수 있고, 이를 통해 손실에너지가 커지도록 하여 스텔스 성능을 높일 수 있다.
전면패턴(120) 및 후면패턴(130)은 가시광 대역에 투명한 그래핀, 인듐 주석 산화물(ITO), 은(Ag) 나노 와이어, 알루미늄 도프 산화아연/은/알루미늄 도프 산화아연(AZO(Aluminum-doped zinc oxide)/Ag/AZO), 전도성 잉크 중 적어도 어느 하나로 이루어질 수 있다. 여기서, 전도성 잉크는 은 잉크, 카본 잉크 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
제2유전체(140)는 후면패턴(130)의 후면에 배치될 수 있다.
그리고, 후단 전도성체(150)는 제2유전체(140)의 후면에 배치될 수 있으며, 제3면저항을 가질 수 있다.
후단 전도성체(150)는 제2유전체(140)를 투과한 제2투과전자파(16)를 흡수할 수 있으며, 제2손실에너지(18)로 손실시킬 수 있다.
후단 전도성체(150)에서 제2투과전자파(16)의 흡수 효율이 높아지도록 하기 위해, 제3면저항은 후면패턴(130)의 제2면저항보다 큰 값을 가질 수 있다.
또한, 후면패턴(130)의 제2면저항은 전면패턴(120)의 제1면저항보다 작거나 같을 수 있으며, 이를 통해, 투과전자파를 효과적으로 반사시킬 수 있다.
후단 전도성체(150)는 제2유전체(140)의 후면에 전체적으로 마련되거나, 또는 도전성 패턴을 가지도록 형성될 수 있다.
후단 전도성체(150)는 가시광 대역에 투명한 그래핀, 인듐 주석 산화물(ITO), 은(Ag) 나노 와이어, 알루미늄 도프 산화아연/은/알루미늄 도프 산화아연(AZO(Aluminum-doped zinc oxide)/Ag/AZO), 전도성 잉크 중 적어도 어느 하나로 이루어질 수 있다. 여기서, 전도성 잉크는 은 잉크, 카본 잉크 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
후면패턴(130), 제2유전체(140) 및 후단 전도성체(150)는 제2공진회로(22)를 형성할 수 있으며, 제2공진회로(22)의 제2공진주파수도 전자파(10)에서 목적주파수를 포함하는 목적대역폭 내에 존재함이 바람직하다.
제1공진주파수 및 제2공진주파수는 두 개의 공진이 중첩되어 목적대역폭 근처의 스텔스 성능을 향상시키거나, 대역폭을 확장시킬 수 있는 대역폭 범위 내에 존재할 수 있다.
그리고, 전면패턴(120), 제1유전체(110), 후면패턴(130), 제2유전체(140) 및 후단 전도성체(150)는 총 공진회로(23)를 형성할 수 있으며, 총 공진회로(23)의 총 공진주파수도 목적주파수를 포함하는 목적대역폭 내에 존재함이 바람직하다.
제1유전체(110) 및 제2유전체(140)의 두께는 제1투과전자파(12) 및 제2투과전자파(16)의 위상 변화를 이용하여 조절될 수도 있으며, 제1유전체(110) 및 제2유전체(140)의 두께를 적절하게 조절함으로써 입사되는 전자파(10)를 더욱 효과적으로 열손실시킬 수 있다.
특히, 제2유전체(140)의 두께는 후단 전도성체(150)가 전면패턴(120)의 흡수성능을 변화시키지 않는 두께 허용범위에서 설정될 수 있다. 그리고, 제2유전체(140)의 두께는 후단 전도성체(150)가 전면패턴(120)과 전자기적으로 결합되지 않으면서 후단 전도성체(150)를 통해 흡수성능을 향상시킬 수 있는 두께 허용범위에서 설정될 수 있다.
스텔스 구조체(100)는 후단 전도성체(150)의 후방에 배치되는 하나 이상의 유전체 및 전도성체를 더 포함할 수 있다.
이하에서는 스텔스 구조체의 설계방법에 대해서 설명한다.
도 5는 도 1의 스텔스 구조체의 설계방법을 나타낸 흐름도이다.
도 5에서 보는 바와 같이, 스텔스 구조체의 설계방법은 제1유전체 선정단계(S210), 초기패턴 마련단계(S220), 후면패턴 제1조정단계(S230) 그리고 전면패턴 제1조정단계(S240)를 포함할 수 있다.
제1유전체 선정단계(S210)는 제1유전체의 단위넓이 및 두께를 선정하는 단계일 수 있다.
제1유전체는 스텔스 대상물에 따라 임의로 선정될 수 있다. 예를 들어 스텔스 대상물이 비행기의 캐노피나 함정의 현창과 같이 투명한 소재인 경우에는 제1유전체는 투명소재가 선정되고, 캐노피나 현창의 두께에 대응되는 두께로 선정될 수 있다.
물론, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 본 발명에 따른 스텔스 구조체가 임의의 대상물의 표면에 배치되는 경우에 상기 제1 유전체의 두께는 λ/4 보다도 작은 최소한의 두께를 가지도록 선정될 수 있다.
초기패턴 마련단계(S220)는 제1유전체의 전면에 임의 형상의 초기 전면패턴을 마련하고, 제1유전체의 후면에 임의 형상의 초기 후면패턴을 마련하는 단계일 수 있다.
초기 전면패턴은 전자파의 흡수를 위하여 아일랜드 형태가 유리할 수 있다. 그리고, 초기 후면패턴은 전자파의 반사를 위하여 비 아일랜드 형태 또는 슬릿을 가지는 형태가 유리할 수 있다.
후면패턴 제1조정단계(S230)는 초기 후면패턴을 제2면저항 및 목표 투과도를 가지는 제1조정 후면패턴으로 조정하는 단계일 수 있다. S230 단계에서는 초기 후면패턴의 면저항 및 형상조정을 통하여 제1조정 후면패턴으로 조정할 수 있다.
예를 들면, 제1조정 후면패턴의 면저항은 반사막으로 동작하기 위한 저저항으로 10 ohm으로 설정될 수 있다. 그리고, 제1조정 하부패턴은 목표 투과도가 -10 dB 미만이 되도록, 즉, 입사되는 전자파의 90% 이상이 반사되도록 슬릿의 크기를 설정하여 패턴이 형성될 수 있다.
전면패턴 제1조정단계(S240)는 초기 전면패턴을 제1면저항 및 목표 흡수도를 가지는 제1조정 전면패턴으로 조정하는 단계일 수 있다.
S240 단계에서는, 초기 전면패턴을 예를 들면 도 3의 (a)에서와 같은 형태, 즉, 사각형 구조에 사각링이 추가되는 형태의 제1조정 전면패턴으로 조정할 수 있다. 초기 전면패턴을 제1조정 전면패턴으로 조정하는 과정에서 형태의 변형을 진행함과 동시에 최적화된 면저항이 얻어지도록 고려될 수 있다. 이를 통해, 조정된 제1조정 전면패턴은 전자파의 흡수도가 최대화되고 반사도는 최소화될 수 있다.
스텔스 구조체의 설계방법은 후면패턴 제2조정단계(S250)를 포함할 수 있다.
후면패턴 제2조정단계(S250)는 전면패턴 제1조정단계(S240) 이후에 진행될 수 있다. 후면패턴 제2조정단계(S250)는 제1조정 후면패턴을 제2조정 후면패턴으로 추가 조정하고, 제2조정 후면패턴, 제1유전체 및 제1조정 전면패턴이 형성하는 제1공진회로에서의 제1공진주파수가 외부에서 입사되는 전자파가 가지는 목적주파수를 포함하는 목적대역폭 내에 존재하도록 하는 단계일 수 있다.
도 6은 도 1의 스텔스 구조체의 후면패턴에 따른 공진 주파수의 이동을 설명하기 위한 그래프이다. 만일, 제1조정 후면패턴이 도 3의 (b)의 후면패턴(130)과 같은 형태로 형성되는 경우, 도 6에서 보는 바와 같은 공진 주파수 데이터를 이용하여 목표 반사도가 -10 dB 미만이 되도록 하기 위한 제2조정 후면패턴의 지름(D)을 설정할 수 있다.
도 7은 도 1의 스텔스 구조체의 공진을 설명하기 위한 예시도이다.
도 7을 참조하면, 전면패턴(120)은 아일랜드 형태로 형성되어 전면패턴(120) 자체에 저항(R) 및 인덕턴스(L)가 형성될 수 있다. 더하여, 전면패턴(120)에는 패턴의 종류에 따라 커패시턴스가 형성될 수 있다.
반면, 후면패턴(130)은 슬릿을 가지는 형태로 형성되어 그 자체로 커패시턴스(C1)가 형성되고, 슬릿 바깥 전도성 영역으로 저항(R1)과 인덕턴스(L1)가 형성될 수 있으며, 전면패턴(120)과 후면패턴(130)의 사이에는 제1유전체를 매개로 하는 커패시턴스(C2)가 형성된다. 즉, 전면패턴(120), 제1유전체 및 후면패턴(130)은 RLC회로로 단순화되는 등가회로를 형성하고 단일 공진을 형성하게 된다.
S250 단계에서는 제1조정 전면패턴, 제1유전체 및 제2조정 후면패턴으로 이루어지는 제1공진회로의 제1공진주파수가 목적주파수를 포함하는 목적대역폭 내에 존재하도록 조정될 수 있다. 제1공진주파수는 엑스밴드의 중심주파수인 10GHz에 맞춰지도록 조정됨이 바람직하다.
스텔스 구조체의 설계방법은 후면패턴 제2조정단계(S250) 이후에 진행되는 전면패턴 제2조정단계(S260)를 포함할 수 있다.
전면패턴 제2조정단계(S260)는 제2조정 후면패턴의 조정에 기인하여 변화된 제1조정 전면패턴의 흡수도가 목표 흡수도가 되도록 제1조정 전면패턴을 최종 전면패턴으로 조정하는 단계일 수 있다. S260 단계를 통해, 제1공진회로의 설정은 완료될 수 있다.
스텔스 구조체의 설계방법은 제2유전체 배치단계(S270) 그리고 후단 전도성체 배치단계(S280)를 더 포함할 수 있다.
제2유전체 배치단계(S270)는 제2조정 후면패턴의 후면에 제2유전체를 배치하는 단계일 수 있다.
S270 단계에서, 제2유전체의 두께는 임의로 선정될 수 있으며, 바람직하게는 최대한 얇은 두께로 선정될 수 있다. 제2유전체는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 필름일 수 있다.
후단 전도성체 배치단계(S280)는 제2유전체의 후면에 제2면저항보다 큰 값의 제3면저항을 가지는 후단 전도성체를 배치하는 단계일 수 있다.
S280 단계에서, 후단 전도성체는 후면패턴을 투과하는 전자기파의 추가적인 흡수를 위해 고저항(예를 들면, 95~105 ohm)을 가지도록 설정될 수 있다.
도 8은 도 1의 스텔스 구조체의 후단 전도성체의 유무에 따른 반사도를 나타낸 그래프이다. 도 8을 참조하면, 후단 전도성체가 마련되지 않은 경우(A)에서는 엑스밴드의 양측 영역에서 -10 dB를 초과하지만, 후단 전도성체가 마련되는 경우(B)에서는 엑스밴드 전체 영역에서 -10 dB 미만을 나타냄을 알 수 있다.
스텔스 구조체의 설계방법은 후단 전도성체 배치단계(S280) 이후 진행될 수 있는 총 공진주파수 교정단계(S290)를 포함할 수 있다.
총 공진주파수 교정단계(S290)는 제2조정 후면패턴을 최종 후면패턴으로 형상 조정함과 동시에 제2유전체의 두께를 조정하여 최종 전면패턴, 제1유전체, 최종 후면패턴, 제2유전체 및 후단 전도성체가 형성하는 총 공진회로의 총 공진주파수가 목적주파수를 포함하는 목적대역폭 내에 존재하도록 교정하는 단계일 수 있다.
S290 단계에서는 최종 후면패턴과 후단 전도성층 사이의 커플링(coupling)이 최소화되도록 제2유전체의 두께를 증가시키면서 최종 후면패턴을 조정하여 총 공진주파수를 조정할 수 있다.
제2유전체의 두께는 최종 후면패턴, 제2유전체 및 후단 전도성체가 형성하는 제2공진회로의 제2공진주파수가 최종 전면패턴의 흡수성능에 영향을 주지 않는 범위로 선정됨이 바람직하다. 그리고, 총 공진주파수는 엑스밴드의 중심주파수인 10GHz에 맞춰지도록 조정됨이 바람직하다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 청구범위에 의하여 나타내어지며, 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
21: 제1공진회로
22: 제2공진회로
23: 총 공진회로
100: 스텔스 구조체
110: 제1유전체
120: 전면패턴
130: 후면패턴
140: 제2유전체
150: 후단 전도성체

Claims (13)

  1. 제1유전체, 상기 제1유전체의 전면에 적층되어 입사되는 목적주파수를 갖는 전자파를 제1손실에너지로 손실시키면서 상기 제1유전체를 향하여 이동되는 제1투과전자파의 위상을 변화시키고, 제1면저항을 갖는 전면패턴, 그리고 상기 제1유전체의 후면에 적층되어 상기 제1유전체를 투과하는 상기 제1투과전자파를 반사시키되, 상기 전면패턴을 향하여 반사되는 반사파의 위상을 조절하기 위한 제2면저항을 갖는 후면패턴을 포함하고, 상기 제2면저항은 상기 제1면저항보다 작거나 같은 값을 가지는 스텔스 구조체의 설계방법으로서,
    제1유전체의 단위넓이 및 두께를 선정하는 제1유전체 선정단계;
    상기 제1유전체의 전면에 임의 형상의 초기 전면패턴을 마련하고, 상기 제1유전체의 후면에 임의 형상의 초기 후면패턴을 마련하는 초기패턴 마련단계;
    상기 초기 후면패턴의 면저항 및 형상조정을 통하여 상기 초기 후면패턴을 제2면저항 및 목표 투과도를 가지는 제1조정 후면패턴으로 조정하는 후면패턴 제1조정단계;
    상기 초기 전면패턴을 제1면저항 및 목표 흡수도를 가지는 제1조정 전면패턴으로 조정하는 전면패턴 제1조정단계;
    상기 제1조정 후면패턴을 제2조정 후면패턴으로 추가 조정하고, 상기 제2조정 후면패턴, 상기 제1유전체 및 상기 제1조정 전면패턴이 형성하는 제1공진회로에서의 제1공진주파수가 외부에서 입사되는 전자파가 가지는 목적주파수를 포함하는 목적대역폭 내에 존재하도록 하는 후면패턴 제2조정단계; 그리고
    상기 제2조정 후면패턴의 조정에 기인하여 변화된 상기 제1조정 전면패턴의 흡수도가 상기 목표 흡수도가 되도록 상기 제1조정 전면패턴을 최종 전면패턴으로 조정하는 전면패턴 제2조정단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 스텔스 구조체의 설계방법.
  2. 제1항에 기재된 스텔스 구조체의 설계방법에 의해 설계되는 스텔스 구조체로서,
    상기 후면패턴의 후면에 배치되는 제2유전체; 그리고
    상기 제2유전체의 후면에 배치되어 상기 제2유전체를 투과한 제2투과전자파를 흡수하여 제2손실에너지로 손실시키기 위한 제3면저항을 갖는 후단 전도성체를 포함하며,
    상기 제3면저항은 상기 제2면저항보다 큰 값을 가지는 것을 특징으로 하는 스텔스 구조체.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 전면패턴, 상기 제1유전체 및 상기 후면패턴은 제1공진회로를 형성하고,
    상기 후면패턴, 상기 제2유전체 및 상기 후단 전도성체는 제2공진회로를 형성하며,
    상기 제1공진회로의 제1공진주파수와 상기 제2공진회로의 제2공진주파수는 상기 목적주파수를 포함하는 목적대역폭 내에 존재하는 것을 특징으로 하는 스텔스 구조체.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제2유전체의 두께는 상기 후단 전도성체가 상기 전면패턴의 흡수성능을 변화시키기 않는 두께 허용범위에서 설정되는 것을 특징으로 하는 스텔스 구조체.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 전면패턴, 상기 제1유전체, 상기 후면패턴, 상기 제2유전체 및 상기 후단 전도성체는 총 공진회로를 형성하며, 상기 총 공진회로의 총 공진주파수는 상기 목적주파수를 포함하는 목적대역폭 내에 존재하는 것을 특징으로 하는 스텔스 구조체.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 후단 전도성체는 도전성 패턴을 가지는 것을 특징으로 하는 스텔스 구조체.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 후단 전도성체의 후방에는 하나 이상의 유전체 및 전도성체가 더 배치되는 것을 특징으로 하는 스텔스 구조체.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 전면패턴, 상기 후면패턴 및 상기 후단 전도성체는 투명한 그래핀, 인듐 주석 산화물(ITO), 은(Ag) 나노 와이어, 알루미늄 도프 산화아연/은/알루미늄 도프 산화아연(AZO(Aluminum-doped zinc oxide)/Ag/AZO), 전도성 잉크 중 적어도 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 스텔스 구조체.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제2조정 후면패턴의 후면에 제2유전체를 배치하는 제2유전체 배치단계; 그리고
    상기 제2유전체의 후면에 상기 제2면저항보다 큰 값의 제3면저항을 가지는 후단 전도성체를 배치하는 후단 전도성체 배치단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스텔스 구조체의 설계방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 후단 전도성체 배치단계 이후에,
    상기 제2조정 후면패턴을 최종 후면패턴으로 형상 조정함과 동시에 상기 제2유전체의 두께를 조정하여 상기 최종 전면패턴, 상기 제1유전체, 상기 최종 후면패턴, 상기 제2유전체 및 상기 후단 전도성체가 형성하는 총 공진회로의 총 공진주파수가 상기 목적주파수를 포함하는 목적대역폭 내에 존재하도록 교정하는 총 공진주파수 교정단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 스텔스 구조체의 설계방법.
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